Hallo zusammen Ich frage mich, ob es möglich ist, die Amplitude einer in einer kleinen Spule induzierten Spannung zu messen. Die Amplitude der Spule wäre voraussichtlich im Bereich von 0nV bis 100nV. Die Frequenz der induzierten Spannung wäre voraussichtlich 15kHz und ein entsprechendes Referenzsignal wäre auf dem Receiverboard vorhanden (e.g. sinusoidales Signal mit 1V Amplitude und gleicher Frequenz sowie Phase des zu messenden, induzierten Signals). Zusätzlich zum zu messenden Signal ist auch noch ein Störsignal bei 5kHz vorhanden welches wesentlich stärker als das zu messende Signbal ist (ca. 50uV bis 500uV). Ich hätte mir das grob so wie in der angehängten Bilddatei "detection_principle.png" dargestellt vorgestellt. Das empfangene Signal wird zunächst verstärkt und dann mit dem vorhandenen Referenzsignal multipliziert. Dabei sollte das zu messende Signal am Ausgang des Mischers eine DC Spannungskomponente erzeugen die von einem Integrator aufintegriert wird. Ich habe leider nicht viel Erfahrung in der Implementierung solcher Detektoren und kann daher die Machbarkeit des Ansatzes nicht wirklich beurteilen. Ich habe mal eine Simulation mit dem AD633 in LTSpice gemacht (s. AD633_schematic.png und AD633_simresult.png). In der Simulation wollte ich ein 1mV Signal plus das zu messende Signal mit einem Referenzssignal multiplizieren aber der Ausgang des AD633 macht für mich keinen Sinn (der Ausgang sollte eigtl sowohl positive als auch negative Spannung anzeigen, zeigt aber nur eine positive Spannung von ca. 5mV die den Integrator saturiert). Ich weiss nicht ob das, was ich versuche, komplett unrealistisch ist oder ob ich einen anderen IC oder eine andere Schaltung benötige?
Angehängte Dateien:
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AD633_schematic.PNG
11 KB -
ad633_simresult.png
19 KB -
detection_principle.PNG
34 KB
DenDen schrieb: > Ich habe leider nicht viel Erfahrung in der Implementierung solcher > Detektoren und kann daher die Machbarkeit des Ansatzes nicht wirklich > beurteilen. Im Prinzip der richtig Ansatz, aber es kommt auf die konkrete Ausführung an, ob man damit bis in den mV Bereich oder in den µV Bereich oder den nV Bereich messen kann. Google mal nach Lock-In Verstärker. DenDen schrieb: > In der Simulation wollte > ich ein 1mV Signal plus das zu messende Signal mit einem Referenzssignal > multiplizieren aber der Ausgang des AD633 macht für mich keinen Sinn > (der Ausgang sollte eigtl sowohl positive als auch negative Spannung > anzeigen, zeigt aber nur eine positive Spannung von ca. 5mV die den > Integrator saturiert). Häng bitte mal die LTSpice-Datei mit an und dein Modell für den AD633. Dann kann man sich das genauer anschauen. Aber selbst wenn man es in der Simu zum Laufen bringt fürchte ich, dass deine Anforderungen im realen Aufbau für den AD633 zu anspruchsvoll sind.
DenDen schrieb: > Ich frage mich, ob es möglich ist, die Amplitude einer in einer kleinen > Spule induzierten Spannung zu messen. Die Amplitude der Spule wäre > voraussichtlich im Bereich von 0nV bis 100nV. Die Frequenz der > induzierten Spannung wäre voraussichtlich 15kHz Das geht wohl https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/low-noise-inamp-nanovolt-sensitivity.html DenDen schrieb: > Zusätzlich zum zu messenden Signal ist auch noch ein Störsignal bei 5kHz > vorhanden welches wesentlich stärker als das zu messende Signbal ist > (ca. 50uV bis 500uV). Das ruiniert wohl jeden Ansatz, denn mit erstärlen kannst du das nicht, das übersteuert. Einen passiven Filter vor dem NanoVolt OpAmp wird 5kHz nicht 1000-fach dämpfen gegenüber 15kHz, und selbst Störungen einfangen. Radioempfänger selektieren auch schmalbandig eine Frequenz und verstärken die dann aus dem Sub-1uV Bereich. Ein 15kHz Schwingkreis der 5kHz dämpft wäre wohl der Ansatz, aber ich sehe nicht wie der unter 100nV arbeiten soll.
so ungefähr könnte das gehen. Schaue mal unter lockin Verstärker oder Synchrondemodulator, wie das dort gemacht wird. Auf jeden Fall würde ich das Signal mit einen Bandfilter Bandbegrenzen. Bedenke das jeder Operationsverstärker eine Offsetspannung am Eingang aufweisen, welche sehr schnell in die Größenordnung deiner zu messende Signalspannung kommt, Ebenso der Mischer, wenn es eine Hilbertzelle als aktiver Mischer ist. Ralph Berres
Ich empfehle den AD630, einen Synchon Modulator/Demodulator. Mein Standard Ansatz wenn ich einen Lock-in benoetige. Und ja, bevor eine Stufe saettigt, muss die Stoerfrequenz raus. Ich hab schon Lock-ins gebaut, welche eine AC Verstaerkung, bei 70KHz, von 50'000 hatten. Nachher ging's auf einen Integrator (I-Regler) und das Signal kam in den mV Bereich.
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Ein Schwingkreis arbeitet auch bei ganz kleinen Spannungen. Außerdem kann man einen abgestimmten Eingangstrafo von z.B. 1:300 vorsehen. Bei 15 kHz ist das einfacher als bei 13 Hertz (!), bei dem frühe Infrarotspektrometer arbeiteten. Deren Empfänger war ein winziges einstufiges Thermoelement, das auch weit unter 1 µV linear arbeitete. Das Infrarotlicht wurde mit 13 Hz zerhackt, weil das TE relativ träge ist und man von 50- und 60-Hz-Einstreuungen weiter weg sein mußte. Die Sekundärseite des Trafos war am Gitter der Vorverstärkerröhre angeschlossen. Der Zerhacker war ein rotierender Sektorspiegel, an dem Reedkontakte den Takt an die phasenrichtige Gleichrichtung nach dem 13-Hz-Verstärker ablieferten. Halbleiter-Lichtschranken gab es noch nicht. Das Prinzip funktionierte bei allen marktüblichen Geräten so gut, daß schon damals die Infrarotspektren aller bekannten Substanzen auf meterlangen Papierstreifen zum Archivieren aufgezeichnet wurden.
Sind die 5 kHz Störfeld halbwegs konstant, oder auch proportional in der Nähe abgreifbar? Dann könnte man es ggf phasenschieben und abziehen.
Henrik V. schrieb: > Dann könnte man es ggf phasenschieben und abziehen. bedenke das das 5KHz Signal um mehr als Faktor 1000 stärker ist, als das Nutzsignal 15KHz. Hier hilft entweder extrem großsignalfeste Signalverarbeitung oder ein 15 KHz Bandfilter mit extrem hoher Güte am Eingang. Nur mit phasenverschobenes Störsignal hinzuaddieren wird man es kaum weg bekommen. Ralph Berres
DenDen schrieb: > Das empfangene Signal wird zunächst verstärkt und dann mit dem > vorhandenen Referenzsignal multipliziert. Dabei sollte das zu messende > Signal am Ausgang des Mischers eine DC Spannungskomponente erzeugen die > von einem Integrator aufintegriert wird. Stimmt, so ähnlich macht man das. Statt des Integrators verwendet man eher einen Tiefpass und kann das dann auch als Lock-In Verstärker fertig kaufen ;-) https://de.wikipedia.org/wiki/Lock-in-Verst%C3%A4rker
Ralph B. schrieb: > Hier hilft entweder extrem großsignalfeste Signalverarbeitung oder ein > 15 KHz Bandfilter mit extrem hoher Güte am Eingang. Ok, ich werde den Bandpass mal einbauen und schauen wie weit ich damit komme. Würde der Bandpass nicht auch eine Phasenverschiebung erzeugen sodass sich die Phase des gefilterten Signals und des Referenzssignals unterscheiden? Henrik V. schrieb: > Sind die 5 kHz Störfeld halbwegs konstant, oder auch proportional in der > Nähe abgreifbar? Dann könnte man es ggf phasenschieben und abziehen. Das Störsignal ist sehr konstant und die Frequenz sowie die Phase des Störsignals sind ebenfalls konstant. Das Störsignal kommt von einem Elektromagneten durch welchen während der Messung ein 5kHz Strom fliesst. Dieser Strom wird durch einen Controller geregelt, und ist daher bekannt. Daher ist die Phase und die Frequenz des 5kHz Störsignals ebenfalls bekannt (nicht aber die Amplitude). Da das Störsignal am Eingang des Detektors dominiert könnte der Detektor also die Amplitude des 5kHz Störsignals messen und dann phasenverschoben vom Eingangssignal abziehen? Ich habe noch die LTSPice Dateien angehängt.
DenDen schrieb: > Würde der Bandpass nicht auch eine Phasenverschiebung erzeugen > sodass sich die Phase des gefilterten Signals und des Referenzssignals > unterscheiden? Jedes Filter hat eine Signallaufzeit, welche um so größer wird je größer die Flankensteilheit des Filters wird. Man könnte das Referenzsignal mit einen identisch aufgebauten Filter ebenfalls filtern und diesem dadurch im etwa die gleiche Signallaufzeit erzeugen, so das es wieder passt. Auserdem hat man dann die möglichkeit durch einen Feinabgleich des Filters die Signallaufzeit in einen Zweig so zu optimieren, das hinter dem Mischer die DC Ausbeute maximal wird. Wenn es nur um die Amplitude und nicht um die Phasenabweichung des Signales gegenüber dem Referenzsignales geht, könnte man ja noch in Betracht ziehen die doppelte Frequenz, welches ja ebenfalls aus dem Mischer kommt auszuwerten. Da Wechselspannung lässt diese sich vielleicht einfacher verstärken. Ralph Berres
Was mal wieder völlig fehlt:
- geforderte Genauigkeit
- Auflösung? (1nV? 0,1nV?)
- wie langsam darf dein Messergebnis der Signalamplitude folgen?
>> Ich habe leider nicht viel Erfahrung in der Implementierung solcher
Detektoren und kann daher die Machbarkeit des Ansatzes nicht wirklich
beurteilen
Ich beschäftige mich in der Arbeit schon viele Jahre mit
Präzisions-Messtechnik.Da habe ich schon mal einen speziellen
Lock-In-Messverstärker gebaut mit sub-nV Auflösung.
Aber um auf nV-Auflösung zu kommen, braucht es etliches an Wissen, viel
Erfahrung, einen hohen Aufwand und viel Zeit.
Wenn du das alles nicht hast, wird das sicher nichts werden - sagt mir
mein Bauchgefühl.
Falls möglich, könntest du dir einen fertigen Lock-In-Verstärker kaufen.
Die sind aber recht teuer.
Das mit dem analogen Multiplizierer kannst du vergessen!
(Rauschen, Offset & Drift)
Das macht man heute digital hinter einem 24 Bit ADC.
Aber der Vorverstärker- & ADC-Treiber ist der Knackpunkt.
Purzel H. schrieb: > Ich empfehle den AD630, einen Synchon Modulator/Demodulator. Mein > Standard Ansatz wenn ich einen Lock-in benoetige. An sich ein bewährter Baustein. Aber: der AD630 multipliziert nicht mit einem Sinus sondern mit einem Rechteck, d.h. er detektiert auch die Harmonischen. Da der Hauptstörer beim TO eine Subharmonische des Signals ist, würden die Oberschwingungen des Störsignals mit eingehen. Für diese Anwendung und diese spezielle Konstellation von Störer und Nutzsignal ist der AD630 also nicht wirklich ideal. DenDen schrieb: > Ich habe noch die LTSPice Dateien angehängt. Im Prinzip funktioniert deine Simu. Aber was du als Ausgangssignal siehst ist vollständig durch die Dreckeffekte des AD633 dominiert (speziell dessen Offsets am Ein- und Ausgang). Dein Nutzsignal (V1) schaltest du erst bei 50ms zu, wenn die Simu schon fertig durchgelaufen ist. Aber auch wenn du es früher einschalten würdest, ginge es vollständig in den Dreckeffekten unter. Wenn du probehalber mal mit den relativen Größen von Nutz- und Störsignal spielst bekommst du ein Gefühl für die Effekte und für die Größenordnungen. Starte z.B. die Simu mal mit einem 30mV Sinus Nutzsignal, dreh an dessen Offset, bis die Ausgangsspannung den erwarteten Verlauf zeigt, mach dann dann die Amplitude des Nutzsignals schrittweise kleiner, ....
Die 5 kHz Anregung müssen da ja seehr sauber sein, da ist sonst der K3 gleich Signal. Wenn es im Uniumfeld ist, würde ich rumfragen, ob irgendwo ein Lock-In Verstärker leihweise verfügbar ist... in irgendeinem Schrank oxidiert da sicher ein SRS rum ;)
Da ist also eine Detektorspule in einem 5 kHz Magnetfeld und soll das K3 (15 kHz, bedingt durch PROBE) messen. Spule ist eigentlich parallel zum Magnetfeld... eigentlich. Vermutung PROBE verbiegt das Magnetfeld, so dass leider auch 5 kHz reinschlagen. Oder streut irgendwie anders rein ;) und die Detektorspule lässt sich nicht mehr mechanisch auf Null abgleichen. Wenn man jetzt eine kleine weite Spule in das Magnetfeld bringt (Windungzahl 1?) oder den Erregerstrom abgreift, sollte es dann nicht möglich sein dieses Signal in Amplitude und Phase so zu verschieben und dem Detektorsignal zu überlagern, dass da nicht mehr Faktor 5000 sondern nur noch <100 Störsignal da sind? (Falls Probe auch stationär ist ;) ) Weitere Idee: Könnte es Vorteilhaft sein, die Detektorspule im virtuellen Kurzschluß zu betreiben.. Stichwort Transimpedanzverstärker?
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Henrik V. schrieb: > Wenn man jetzt eine kleine weite Spule in das Magnetfeld bringt > (Windungzahl 1?) oder den Erregerstrom abgreift, sollte es dann nicht > möglich sein dieses Signal in Amplitude und Phase so zu verschieben und > dem Detektorsignal zu überlagern, dass da nicht mehr Faktor 5000 sondern > nur noch <100 Störsignal da sind? (Falls Probe auch stationär ist ;) ) Was ich mir im Moment überlege ist die Amplitude des Störsignals mit einem Peak-Detektor zu messen und dann mithilfe des Referenzsignals (vom 5kHz Stromregler) vom Detektorspulensignal abzuziehen um das 5kHz Signal schon mal abzuschwächen.
DenDen schrieb: > Was ich mir im Moment überlege ist die Amplitude des Störsignals mit > einem Peak-Detektor zu messen und dann mithilfe des Referenzsignals (vom > 5kHz Stromregler) vom Detektorspulensignal abzuziehen um das 5kHz Signal > schon mal abzuschwächen. Warum willst du hierfür einen Peakdetektor einsetzen? Lass das Störsignal der Pickup-Spule von einem zweiten Lockin auf 5kHz auswerten und regle die Kompensation dann so nach, dass dieser Lockin möglichst gegen 0 geht. Aber jede kleine Verzerrung, die du dir mit dieser Kompensation auf das 5kHz Signal draufpackst, wird sich dann als dritte Harmonische bei deinem 15kHz Nutzsignal zeigen.
DenDen schrieb: > Das Störsignal ist sehr konstant und die Frequenz sowie die Phase des > Störsignals sind ebenfalls konstant. Das Störsignal kommt von einem > Elektromagneten durch welchen während der Messung ein 5kHz Strom > fliesst. Muss das so bleiben? Oder könnte man den Magneten anders bestromen. Wenn möglich gleich DC oder zumindest weiter weg vom Nutzsignal und so dass die Harmonischen nicht auch noch genau in der Nutzsignalfrequenz sind.
Ralph B. schrieb: > Man könnte das Referenzsignal mit einen identisch aufgebauten Filter > ebenfalls filtern und diesem dadurch im etwa die gleiche Signallaufzeit > erzeugen, so das es wieder passt. Man könnte auch 2 Kanäle mit um 90° phasenverschobener Referenz aufziehen. Das quadratische Summensignal ist dann unabhängig von der Phasenverschiebung auf Grund irgendwelcher Filterlaufzeiten.
Îdee einer einfachsten Kompensation: Ein Stromwandler mit Mittelabgriff im Erregerstrom. Über die beiden Enden des Stromwandlers ein Poti. Mittelabgriff und Potischleifer erzeugen jetzt eine +/- einstellbare Wechselspannung synchron und proportional zum Erregerfeld, das mit dem Detektorsignal überlagert werden kann. Dazu noch galvanisch getrennt vom Generator :) Vermutlich braucht es auch noch eine Phasenkompensation. Beschänken wir uns auf eine Frequenz, könnte da ein zweites Poti parallel zum ersten am Stromwander reichen, bei dem dann ein (R)C Glied vom Potischleifer zum Mittelabgriff des Stromwandlers geht.
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DenDen schrieb: > nicht viel Erfahrung in der Implementierung Selbst wenn die Simulation schön aussehen sollte, werden Dich im nV-Bereich noch einige Schaltnetzteile, LED-Lampen oder Staubsauger im wahren Leben überraschen. Abschirmung und sinnvolle Massepunkte wären nützlich.
Das Hochschulumfeld wurde ja schon angefragt...wenn es denn so wäre, dann würde ich alles daran setzen, einen Lock-In kaufen zu können. Mit den 5KHz wirst du Last genug haben, da mußt du nicht auch noch den Lock-In bauen. Anders wäre es natürlich, wenn du einen ganz speziellen Parameter des Verstärkers optimieren mußt... Gruß Rainer
B e r n d W. schrieb: > Filtern? Sicher. Ich würde allerdings das aktive Doppel-T-Filter nehmen. Vermeidet die lästigen Spulen... Gruß Rainer
> das aktive Doppel-T-Filter nehmen
Die darin verbauten Widerstände erzeugen lästiges thermisches Rauschen.
Dann das Signal wenigstens vorher verstärken.
Du hast recht, aber der TO wird mit "50Ohm" nichts anfangen können. Besser ein aktives, rückgekoppeltes Doppel-T-Filter. Alternativ ein Notch mit State-Variable-Filter. Die sind beide recht gut abzugleichen und haben ordentliche Dämpfung. Zum State-Variable-Filter hatte ich mal ein Papier für ein Filter 4ter Ordnung. Das hat hervorragende Werte gebracht. Diese Unterlagen müßten im Netz zu finden sein. Aber warten wir mal ab... Gruß Rainer
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